电力电子与驱动:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 8 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

DC-DC 变换器

降压
Vo = D·Vin
升压
Vo = Vin/(1 − D)
反相升降压
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
理想功率平衡
VinIin = VoIo
电感纹波
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
电感平均电流
降压 Io;升压和升降压 Io/(1 − D)
输出纹波
降压 ΔIL/(8fC);升压和升降压 Io·D/(fC)
CCM 边界
降压 (1 − D)R/(2f);升压 D(1 − D)²R/(2f);升降压 (1 − D)²R/(2f)

方法

  1. 判断变换器的类型(降压、升压或升降压),并由电压比求出占空比 D。
  2. 对电感用伏秒平衡:电感电压在一个周期内的平均值为零。
  3. 求开关导通时的电感电压,再求 ΔIL = VL·D/(L·f)。
  4. 求输出纹波时,找出流入和流出电容的电荷;求 CCM 边界时,令电感平均电流等于 ΔIL/2。

直流电机

电枢回路
V = E + IaRa
反电动势与转矩
E = k·ω, T = k·Ia
速率
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
空载转速与堵转转矩
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
各功率
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
起动
Istart = V/(Ra + Rst)
转速调整率
SR = (n0 − nFL)/nFL
最大电磁功率
Pmax = V²/(4Ra)
斩波驱动
Va = D·Vdc

方法

  1. 画出电枢回路:电源 V、电阻 Ra 和反电动势 E 串联。
  2. 用 V = E + Ia·Ra 把电压、电流和反电动势联系起来。
  3. 转速用 E = k·ω,转矩用 T = k·Ia,其中 ω = 2π·n/60。
  4. 对于功率和效率,从 V·Ia 出发,减去铜损 Ia²·Ra,再减去旋转损耗。

交流功率和功率因数

有功功率
P = V·I·cos φ
无功功率
Q = V·I·sin φ
视在功率
S = V·I = √(P² + Q²)
功率因数
pf = cos φ = P/S
补偿电容
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

三相电

Y 联结
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ 联结
VL = Vph, IL = √3·Iph
总有功功率
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
视在功率和无功功率
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
补偿电容
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
每个电容上的电压
Δ:VL Y:VL/√3
电动机输入
Pin = Pout/η

2练习题

1.DC-DC 变换器中等
tiL​Imax​ = ?Imin​Io​DTT2T

某降压变换器把 12 V 变成 6 V,负载为 10 Ω。开关频率为 25 kHz,L = 220 µH。求电感电流峰值 Imax。

Vin​ = 12 VVo​ = 6 Vf = 25 kHzL = 220 µHR = 10 Ω
Imax = A
2.DC-DC 变换器困难
tiL​Imax​IL​DTT2T

某理想 升压 变换器在 40 kHz 下把 12 V 变成 30 V,负载为 5 Ω。求连续导通所需的最小电感 Lcrit。

Vin​ = 12 VVo​ = 30 Vf = 40 kHzR = 5 Ω
Lcrit = µH
3.直流电机中等
T (N·m)n (rpm)30 N·mn0​n = ?

某直流电机(k = 2 N·m/A,Ra = 2 Ω)由 220 V 供电,带动 30 N·m 的负载转矩。求它的转速 n,单位为 rpm。

V = 220 Vk = 2 N·m/ARa = 2 ΩT = 30 N·m
n = rpm
4.直流电机困难
T (N·m)n (rpm)20 N·m1000 rpm

某直流电机的 k = 1 V·s/rad,Ra = 0.5 Ω,要以 1000 rpm 带动 20 N·m 的负载。求所需的电枢电压 V。

k = 1 V·s/radRa = 0.5 ΩT = 20 N·mn = 1000 rpm
V = V
5.交流功率和功率因数中等
240 VZ9 + j12 ΩI

一个阻抗为 Z = 9 + j12 Ω 的负载接在 240 V(有效值)的单相电源上。 求它吸收的无功功率 Q。

V = 240 VZ = 9 + j12 Ω
Q = var
6.交流功率和功率因数困难
240 V50 Hz负载6 kW, 0.6C68 µFI

一个单相负载从 240 V、50 Hz 的电源吸取 6 kW,功率因数为 0.6(滞后)。一个 68 µF 的电容与负载并联。 求电源看到的新功率因数 cos φ。

P = 6 kWpf1 = 0.6V = 240 Vf = 50 HzC = 68 µF
cos φ =
7.三相电中等
ABCVL​ = 415 VZ = 20 + j15 Ω每相

一个每相阻抗为 20 + j15 Ω 的对称 Δ 联结负载接在线电压为 415 V 的对称三相电源上。 求负载吸收的总有功功率 P,以 kW 计。

VL = 415 VZ = 20 + j15 Ω 每相
P = kW
8.三相电困难
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

一个对称三相负载从 690 V(线电压)、60 Hz 的电源取用 150 kW,功率因数为 0.72(滞后)。与负载并联的三相电容器组须把总功率因数提高到 0.92(滞后)。有功功率保持不变。 电容采用 Δ 联结。求每个电容的电容量 Cph,以 µF 计。

P = 150 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3溶液

1.DC-DC 变换器

答案: Imax = 0.8727 A

DC-DC 变换器:开关 S 在每个周期 T = 1/f 中有 D 的比例处于导通。稳态时电感的平均电压为零(伏秒平衡),由此得到连续导通模式下的理想变换比:降压(buck)Vo = D·Vin,升压(boost)Vo = Vin/(1 − D),反相升降压(buck-boost)|Vo| = Vin·D/(1 − D)。理想变换器功率守恒:Vin·Iin = Vo·Io。开关导通期间,电感电流上升 ΔIL = VL·D·T/L,其中降压变换器的 VL = Vin − Vo,升压和升降压变换器为 Vin。输出纹波对降压变换器为 ΔVo = ΔIL/(8fC),对升压和升降压变换器为 Io·D/(fC)。当平均电感电流等于 ΔIL/2 时,电感电流刚好触及零(连续导通模式的边界)。

占空比

D = 6/12 = 0.5

平均电流和纹波电流

Io = 6/10 = 0.6 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 6·0.5/(220·10⁻⁶·25·10³) = 0.5455 A

峰值电流

Imax = 0.6 + 0.5455/2 = 0.8727 A

答案

Imax = 0.8727 A
2.DC-DC 变换器

答案: Lcrit = 6 µH

DC-DC 变换器:开关 S 在每个周期 T = 1/f 中有 D 的比例处于导通。稳态时电感的平均电压为零(伏秒平衡),由此得到连续导通模式下的理想变换比:降压(buck)Vo = D·Vin,升压(boost)Vo = Vin/(1 − D),反相升降压(buck-boost)|Vo| = Vin·D/(1 − D)。理想变换器功率守恒:Vin·Iin = Vo·Io。开关导通期间,电感电流上升 ΔIL = VL·D·T/L,其中降压变换器的 VL = Vin − Vo,升压和升降压变换器为 Vin。输出纹波对降压变换器为 ΔVo = ΔIL/(8fC),对升压和升降压变换器为 Io·D/(fC)。当平均电感电流等于 ΔIL/2 时,电感电流刚好触及零(连续导通模式的边界)。

占空比

D = 1 − 12/30 = 0.6

边界条件

令电感平均电流等于纹波电流的一半,解出 L。

Lcrit = D(1 − D)²·R/(2f)

临界电感

Lcrit = 0.6(1 − 0.6)²·5/(240·10³) = 6 µH

答案

Lcrit = 6 µH
3.直流电机

答案: n = 907.2 rpm

直流电机:电枢是电阻 Ra 与反电动势 E 串联,所以 V = E + Ia·Ra。反电动势随转速增大,E = k·ω;转矩随电流增大,T = k·Ia;在 SI 单位制中两者的电机常数 k 相同(V·s/rad = N·m/A)。转速用 ω = 2π·n/60 换算。电磁功率为 E·Ia = T·ω;输入功率为 V·Ia,差值由铜损 Ia²Ra 和旋转损耗构成。转速随转矩呈直线下降,ω = V/k − Ra·T/k²,从空载转速 V/k 降到堵转转矩 k·V/Ra 处的零。静止时 E = 0,所以起动电流 V/Ra 很大,除非用电阻限流。

电枢电流

Ia = T/k = 30/2 = 15 A

反电动势与转速

E = 220 − 15·2 = 190 V
ω = E/k = 95 rad/s → n = 907.2 rpm

答案

n = 907.2 rpm
4.直流电机

答案: V = 114.7 V

直流电机:电枢是电阻 Ra 与反电动势 E 串联,所以 V = E + Ia·Ra。反电动势随转速增大,E = k·ω;转矩随电流增大,T = k·Ia;在 SI 单位制中两者的电机常数 k 相同(V·s/rad = N·m/A)。转速用 ω = 2π·n/60 换算。电磁功率为 E·Ia = T·ω;输入功率为 V·Ia,差值由铜损 Ia²Ra 和旋转损耗构成。转速随转矩呈直线下降,ω = V/k − Ra·T/k²,从空载转速 V/k 降到堵转转矩 k·V/Ra 处的零。静止时 E = 0,所以起动电流 V/Ra 很大,除非用电阻限流。

反电动势

E = 1·104.7 = 104.7 V

电枢电流

Ia = 20/1 = 20 A

电枢电压

V = 104.7 + 20·0.5 = 114.7 V

答案

V = 114.7 V
5.交流功率和功率因数

答案: Q = 3072 var

交流功率:视在功率 S = V·I (VA) 分为做有用功的有功功率 P = S·cos φ (W),以及在电源和负载之间来回交换的无功功率 Q = S·sin φ (var)。功率因数为 cos φ。并联电容就地提供无功功率,因此在有功功率不变时线路电流减小。

电流

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 240/15 = 16 A

无功功率

Q = I²·X = 16²·12 = 3072 var

答案

Q = 3072 var
6.交流功率和功率因数

答案: cos φ = 0.6633

交流功率:视在功率 S = V·I (VA) 分为做有用功的有功功率 P = S·cos φ (W),以及在电源和负载之间来回交换的无功功率 Q = S·sin φ (var)。功率因数为 cos φ。并联电容就地提供无功功率,因此在有功功率不变时线路电流减小。

补偿前后的无功功率

有功功率 P 不变;改变的只是从电源吸取的无功功率。

Q1 = 6·tan(arccos 0.6) = 8 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·68·10⁻⁶ = 1230 var = 1.23 kvar
Q2 = 8 − 1.23 = 6.77 kvar

新的视在功率

S2 = √(6² + 6.77²) = 9.046 kVA

新的功率因数

cos φ = P/S2 = 6/9.046 = 0.6633

答案

cos φ = 0.6633
7.三相电

答案: P = 16.53 kW

对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,VL = √3·Vph,线电流等于相电流。在 Δ(三角形)联结中,线电压等于相电压,线电流是相电流的 √3 倍,IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。

相电压

Vph = VL = 415 V

相电流

|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 415/25 = 16.6 A

总有功功率

只有每个阻抗的电阻部分吸收有功功率。

P = 3·Iph²·R = 3·16.6²·20 = 16.53 kW

答案

P = 16.53 kW

验算:cos φ = R/|Z| = 0.8,用 √3·VL·IL·cos φ 得到相同的功率。

8.三相电

答案: Cph = 149.8 µF

对称三相系统:在 Y(星形)联结中,线电压是相电压的 √3 倍,VL = √3·Vph,线电流等于相电流。在 Δ(三角形)联结中,线电压等于相电压,线电流是相电流的 √3 倍,IL = √3·Iph。总功率是一相功率的三倍:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。 功率因数校正:电容就地提供无功功率,QC = P·(tan φ1 − tan φ2)。三个电容各提供 QC/3 = V²·ω·C,其中 V 是该电容两端的电压:Δ 联结电容器组为 VL,Y 联结电容器组为 VL/√3。

补偿前后的无功功率

有功功率不变,因此每个功率因数对应确定的无功功率:Q = P·tan φ。

Q1 = 150·tan(acos 0.72) = 150·0.9639 = 144.6 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.92) = 150·0.426 = 63.9 kvar

电容提供的无功功率

QC = Q1 − Q2 = 80.68 kvar

每相电容

在 Δ 联结电容器组中,每个电容接在两根相线之间。

V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 26893/(377·690²) = 149.8 µF

答案

Cph = 149.8 µF

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